Los neutrinos son una de las partículas más abundantes en nuestro universo, pero son notoriamente difíciles de detectar y estudiar : no tienen carga eléctrica y casi no tienen masa. A menudo se las denomina « partículas fantasma » porque rara vez interactúan con los átomos.

Pero debido a que son tan abundantes, juegan un papel importante para ayudar a los científicos a responder preguntas fundamentales sobre el universo.

En una investigación innovadora descrita en Nature, dirigida por investigadores de la Universidad de Rochester, los científicos de la colaboración internacional MINERvA han utilizado, por primera vez, un haz de neutrinos en el Fermi National Accelerator Laboratory, o Fermilab, para investigar la estructura. de protones

MINERvA es un experimento para estudiar neutrinos, y los investigadores no se propusieron estudiar protones. Pero su hazaña, que alguna vez se consideró imposible, ofrece a los científicos una nueva forma de observar los pequeños componentes del núcleo de un átomo.

« Mientras estudiábamos los neutrinos como parte del experimento MINERvA, me di cuenta de que una técnica que estaba usando podría aplicarse para investigar los protones », dice Tejin Cai, el primer autor del artículo. Cai, que ahora es investigador asociado postdoctoral en la Universidad de York, realizó la investigación como estudiante de doctorado de Kevin McFarland, el Dr. Steven Chu Profesor de Física en Rochester y miembro clave del Grupo Neutrino de la Universidad. « Al principio no estábamos seguros de si funcionaría, pero finalmente descubrimos que podíamos usar neutrinos para medir el tamaño y la forma de los protones que forman los núcleos de los átomos. Es como usar una regla fantasma para hacer una medición ».

Uso de haces de partículas para medir protones

Los átomos, y los protones y neutrones que forman el núcleo de un átomo, son tan pequeños que los investigadores tienen dificultades para medirlos directamente. En cambio, construyen una imagen de la forma y estructura de los componentes de un átomo bombardeando átomos con un haz de partículas de alta energía. Luego miden qué tan lejos y en qué ángulos las partículas rebotan en los componentes del átomo.

Imagina, por ejemplo, tirar canicas a una caja. Las canicas rebotaban en la caja en ciertos ángulos, permitiéndote determinar dónde estaba la caja, y determinar su tamaño y forma, incluso si la caja no era visible para ti.

« Esta es una forma muy indirecta de medir algo, pero nos permite relacionar la estructura de un objeto, en este caso, un protón, con cuántas desviaciones vemos en diferentes ángulos », dice McFarland.

¿Qué nos pueden decir los haces de neutrinos?

Los investigadores midieron por primera vez el tamaño de los protones en la década de 1950, usando un acelerador con haces de electrones en las instalaciones de aceleradores lineales de la Universidad de Stanford. Pero en lugar de utilizar haces de electrones acelerados, la nueva técnica desarrollada por Cai, McFarland y sus colegas utiliza haces de neutrinos.

Si bien la nueva técnica no produce una imagen más nítida que la técnica anterior, dice McFarland, puede brindar a los científicos nueva información sobre cómo interactúan los neutrinos y los protones, información que actualmente solo pueden inferir mediante cálculos teóricos o una combinación de teoría y otras mediciones.

Al comparar la nueva técnica con la antigua, McFarland compara el proceso con ver una flor con luz visible normal y luego mirar la flor con luz ultravioleta.

« Estás mirando la misma flor, pero puedes ver diferentes estructuras bajo diferentes tipos de luz », dice McFarland. « Nuestra imagen no es más precisa, pero la medición de neutrinos nos brinda una vista diferente ».

Específicamente, esperan usar la técnica para separar los efectos relacionados con la dispersión de neutrinos en los protones de los efectos relacionados con la dispersión de neutrinos en los núcleos atómicos, que son colecciones unidas de protones y neutrones.

« Todos nuestros métodos anteriores para predecir la dispersión de neutrinos a partir de protones utilizaban cálculos teóricos, pero este resultado mide directamente esa dispersión », dice Cai.

McFarland agrega : « Al usar nuestra nueva medición para mejorar nuestra comprensión de estos efectos nucleares, podremos realizar mejor las futuras mediciones de las propiedades de los neutrinos ».

El reto técnico de experimentar con neutrinos

Los neutrinos se crean cuando los núcleos atómicos se unen o se separan. El sol es una gran fuente de neutrinos, que son un subproducto de la fusión nuclear del sol. Si te paras bajo la luz del sol, por ejemplo, trillones de neutrinos pasarán inofensivamente a través de tu cuerpo cada segundo.

Aunque los neutrinos son más abundantes en el universo que los electrones, es más difícil para los científicos aprovecharlos experimentalmente en grandes cantidades: los neutrinos atraviesan la materia como fantasmas, mientras que los electrones interactúan con la materia con mucha más frecuencia.

« En el transcurso de un año, en promedio, solo habría interacciones entre uno o dos neutrinos de los billones que pasan por tu cuerpo cada segundo », dice Cai. « Hay un gran desafío técnico en nuestros experimentos en el sentido de que tenemos que obtener suficientes protones para observar, y tenemos que descubrir cómo obtener suficientes neutrinos a través de ese gran conjunto de protones ».

Usando un detector de neutrinos

Los investigadores resolvieron este problema en parte mediante el uso de un detector de neutrinos que contenía un objetivo de átomos de hidrógeno y carbono. Por lo general, los investigadores usan solo átomos de hidrógeno en experimentos para medir protones. El hidrógeno no solo es el elemento más abundante en el universo, también es el más simple, ya que un átomo de hidrógeno contiene solo un protón y un electrón. Pero un objetivo de hidrógeno puro no sería lo suficientemente denso para que suficientes neutrinos interactúen con los átomos.

« Estamos realizando un ‘truco químico’, por así decirlo, al unir el hidrógeno en moléculas de hidrocarburo que lo hacen capaz de detectar partículas subatómicas », dice McFarland.

El grupo MINERvA realizó sus experimentos utilizando un acelerador de partículas de alta potencia y alta energía, ubicado en Fermilab. El acelerador produce la fuente más potente de neutrinos de alta energía del planeta.

Los investigadores golpearon su detector hecho de átomos de hidrógeno y carbono con el haz de neutrinos y registraron datos durante casi nueve años de funcionamiento.

Para aislar solo la información de los átomos de hidrógeno, los investigadores tuvieron que restar el « ruido » de fondo de los átomos de carbono.

« El hidrógeno y el carbono están unidos químicamente, por lo que el detector ve interacciones en ambos a la vez », dice Cai. « Me di cuenta de que una técnica que estaba usando para estudiar las interacciones en el carbono también podría usarse para ver el hidrógeno por sí mismo una vez que se restan las interacciones del carbono. Una gran parte de nuestro trabajo consistía en restar el fondo muy grande de los neutrinos que se dispersan en los protones en el núcleo de carbono ».

Dice Deborah Harris, profesora de la Universidad de York y coportavoz de MINERvA : « Cuando propusimos MINERvA, nunca pensamos que seríamos capaces de extraer medidas del hidrógeno en el detector. Hacer este trabajo requería un gran rendimiento del detector. análisis creativo de científicos y años de funcionamiento » del acelerador en Fermilab.

Lo imposible se vuelve posible

McFarland también pensó inicialmente que sería casi imposible usar neutrinos para medir con precisión la señal de los protones.

« Cuando Tejin y nuestro colega Arie Bodek (el profesor de física George E. Pake en Rochester) sugirieron probar este análisis, pensé que sería demasiado difícil », dice McFarland. « Pero la antigua visión de los protones se ha explorado muy a fondo, por lo que decidimos probar esta técnica para obtener una nueva visión, y funcionó ».

La experiencia colectiva de los científicos de MINERvA y la colaboración dentro del grupo fueron esenciales para llevar a cabo la investigación, dice Cai.

“El resultado del análisis y las nuevas técnicas desarrolladas resaltan la importancia de ser creativos y colaborativos en la comprensión de los datos”, dice. « Si bien muchos de los componentes para el análisis ya existían, unirlos de la manera correcta realmente marcó la diferencia, y esto no se puede hacer sin expertos con diferentes antecedentes técnicos que compartan sus conocimientos para que el experimento sea un éxito ».

Además de proporcionar más información sobre la materia común que compone el universo, la investigación es importante para predecir las interacciones de los neutrinos para otros experimentos que intentan medir las propiedades de los neutrinos. Estos experimentos incluyen el Experimento de neutrinos subterráneos profundos (DUNE), el detector de neutrinos Imaging Cosmic And Rare Underground Signals (ICARUS) y los experimentos de neutrinos T2K en los que están involucrados McFarland y su grupo.

« Necesitamos información detallada sobre los protones para responder preguntas como qué neutrinos tienen más masa que otros y si existen o no diferencias entre los neutrinos y sus compañeros de antimateria », dice Cai. « Nuestro trabajo es un paso adelante para responder las preguntas fundamentales sobre la física de los neutrinos que son el objetivo de estos grandes proyectos científicos en el futuro cercano ».